DE1800041B2

DE1800041B2 - Regelanordnung zur hydraulischen positionierung

Info

Publication number: DE1800041B2
Application number: DE19681800041
Authority: DE
Inventors: Walter 5100 Aachen Janker
Original assignee: Garbe Lahmeyer & Co Ag, 5100 Aachen
Priority date: 1968-10-01
Filing date: 1968-10-01
Publication date: 1977-09-01
Also published as: DE1800041A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Regelanordnung zur hydraulischen Positionierung mit zwei in einer Brückenschaltung betriebenen Potentiometern, deren eines in Abhängigkeit von der Lage des zu positionierenden Objektes verstellt wird, während mittels des anderen der Sollwert bzw. eine Führungsgröße vorgegeben wird, und bei der in Abhängigkeit von der an der Brücke abgegriffenes EMK über invers wirksame Verstärker zwei hydraulische Magnetventile betätigt werden, welche als Stellglied vorgesehenen Hydraulikzylindern und/oder -motoren vorgeordnet sind.

Als kritisch zeigen sich bei solchen Regelanordnungen zur Positionierung, sobald höhere Ansprüche gestellt werden, sowohl das Ansprechverhalten als auch die Toleranzen, innerhalb deren die vorgegebene Position eingenommen werden soll. So wird beispiel.sweise gefordert, daß eine vorgegebene Toleranz nicht überschritten wird; ist der von der Regelanordnung eingehaltene Toleranzbereich wesentlich kleiner als der vorgegebene, so finden unnötig häufig Stellvorgängc statt, die sich nur über kleine Beträge erstrecken und innerhalb des zulässiger: Toleranzbereichs verlaufen. Andererseits ist es zum Ausregeln größerer auftretender Differenzen wünschenswert, die Geschwindigkeit der Stellvorgängc sowohl von der Größe der Abweichung als auch von der Abwe.chungsanderung abhängig

^/UBd^lcincr bekannten Anordnung wird für derartige Reeelaufgaben ein elektronischer Vorverstärker, auch mit »Scrvoverstärker« bezeichnet, benutzt, der seinerseits die Spulen zweier Schaltvent.le für d.e beiden Rcgeirichtungen über Schwellendetektoren steuert.

Es sind auch Anordnungen bekannt, bei denen ein die FluBmengc bestimmendes Ventil in Verbindung mit einem die Flußrichtung bestimmenden Umsleuerventil benutzt wird. In beiden Fällen lassen sich erwünscht hohe Ansprcchgcschwindigkciten des Regelkreises nicht erzielen. Als nachteilig hat sich weiterhin Senkbar gemacht, daß das Verhalten des Regelkreises sich nur in engen Grenzen andern aßt, da wesentliche Daten der Verstärker und Steuerelemente des Stellgliedes durch die mechanischen Abmessungen des hydraulischen Vorverstärkers sowie der Ventile bestimmt sind. Insbesondere der Tolcranzbere,ch, innerhalb dessen noch keine Betätigung des Stellgliedes einsetzt ist durch die Abstände der sperrenden Ventilflächen bestimmt, und Änderungen des Regelverhaltens lassen sich nur durch Änderung des Verstä/ku-igsfaktors bewirken, so daß gleichzeitig die Empfindlichkeit der Anordnung abgeändert w.rd.

Die Erfindung löst die Aufgabe, eine Regelanordnung zu schaffen welche bei kürzesten Ansprechzeiten mit einfachen Mitteln eine weitgehende Beeinflussung des Regelvorgangs gestattet, bei einer Regelanordnung der eingangs genannten Art dadurch, daß die zwei invers wirksamen elektronischen Verstärker als Analogverstärker ausgeführt sind, deren Arbeitspunkt im unteren Kennlinienknick liegt, derart, daß eine positive Brückenspannung über einen der Verstärker das Offnen eines der beiden Ventile bewirkt, eine negative Brückenspannung über den anderen Verstärker das öffnen des anderen Ventils bewirkt, und bei abgeglichener Brücke beide Ventile gesperrt sind.

Gegenüber bekannten Anordnungen ergibt sich so der Vorteil, daß für die beiden Bewegungsrichtungen des Stellglieds das dynamische Verhalten frei gewählt werden kann. Dies ist beispielsweise bei Richtsteuerungen von Kanonenrohren oder Krangreifern von Bedeutung, deren Aufwärts- und Abwärtsbewegungen trotz des Eigengewichts gleichen Gesetzen unterworfen

sein sollen. .

Bevorzugte Ausfühmngsformen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Im einzelnen ist die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit dieses darstellenden Zeichnungen erläutert. Es zeigt hierbei

Fig. 1 ein sowohl die elektrischen als auch die hydraulischen Elemente enthaltendes Blockschaltbild

Fig.2 diagrammatisch Kennlinien der beiden Ana-

log-Verstärkerder F i g. 1.

In Fig. I ist als Stellglied I ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder gezeigt, dessen Kolben mittels der abgebrochen dargestellten Kolbenstange 2 die Positionierung eines nicht dargestellten Objekts bewirkt. Mit der Kolbenstange ist weiter durch in der Figur symbolisch durch ein gestrichelte Linie dargestellte Mittel ein Positionier-Potentiometer 3 verbunden, dessen jeweils abgreifbarc Widerstände innerhalb enger Toleranzen vom Stellweg bzw. -winkel abhängen. Das Posilionier-Potentiometer 3 wird von den Klemmen und 5 einer Stromquelle gespeist, mit denen auch das

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Stell-Potentiometer 6 verbunden ist, das in ebenso engen Toleranzen zu wählen ist wie das Positionier-Potentiometer. Die Zweigwiderstäniie der Potentiometer bilden damit eine durch die Stromquelle gespeiste Brückenanordnung, deren Diagonale durch ί die Abgriffe der Potentiometer gebildet wird. Die Abgriffe der Potentiometer sind mit den beiden Eingangsschaltkreisen 7 und 8 verbunden, die den Eingängen 9 und 10 der parallel angeordneten elektronischen Analog-Verstarker 11 und 12 vorgeord net sind. Im Ausführungsbeispiel gleichen die Analogverstärker Il und 12 einander; sie weisen jeweils zwei inverse Eingänge auf, die mit ;/ bzw. b bezeichnet sind. Die Ausgänge der Verstärker Il und 12 sind mit den Magnetspulen 13 und 14 von Magnetventilen 15 und 16 verbunden. Die Magnetventile werden von einer Hydraulikpumpe 17 gespeist. Bei Erregun" der Magnetspule J3 öffnet das Magnetventil 15 und verbindet die Pumpe 17 mit dem oberen Zylinderraum 18 des Stellgliedes 1, während es gleichzeitig den unteren Zylinderraum 19 zu seiner Entlastung mit dem ölsiimpf

20 verbindet. Die Erregung der Magnetspule 13 bewirkt damit eine Abwärtsbewegung der Kolbenstange 2. Wird hingegen die Magnetspule 14 erregt, so wird der untere Zylinderraum 19 mit dem Druckmittel beaufschlagt und der obere Zylinderraum 18 entlastet, so da!3 die Kolbenstange 2 sich nach oben bewegt.

Zur Verbesserung des Regelverhaltens sind Potentiometer 21 und 22 vorgesehen, mittels deren einstellbarer Abgriffe Teilspannungen abgegriffen werden können, die über Vorwiderstände den Eingangsschaltkreisen 7 und 8 zusätzlich zugeführt werden können und es gestatten, den Arbeitspunkt der Analog-Verstärker 11 und 12 zu verstellen. Die Wirkungsweise dieser Potentiometer 50Π an Hand der F i g. 2 erläutert werden. Die Fig. 2 zeigt in einem Koordinatensystem Kennlinien der Verstärker 11 und 12; die durchgezogene Kennlinie des Verstärkers 11 ist im ersten Quadranten vorgesehen, während die des invers arbeitenden Verstärkers 12 um die Y- und X-Achse gespiegelt im dritten Quadranten gestrichelt gezeigt ist. Die Einstellung der Potentiometer 21 und 22 ist hierbei so gewählt, daß die Kennlinien beider Verstarker nahezu im Koordinatenursprung beginnen und der Bereich der von der Brücke abgegebenen Regelspannungen, innerhalb dessen keine der Magnetspulen 1.3 und 14 erregt werden, äußerst gering ist. Die geringste Abweichung zwischen dem Soll- und dem Istwert hat bereits die Erregung einer der Magnetspulen und damit das Einsetzen einer Korrekturbewegung der kolbenstange 2 zur Folge. Werden derart enge Toleranzen nicht gefordert, so wird durch Verstellen der Potentiometer

21 und 22 die Vorspannung der Verstärker 11 und 12 geändert, so daß der Toleranzbereich 23 der von der Brücke abgegebenen Regelspannung U, wesentlich breiter wird und kleinere Regelabweichungen nicht sofort zum Ansprechen der Regelanordnung führen. Die Fig. 2 zeigt weiterhin, daß die Aussteuerung der Verstärker Il und 12 begrenzt ist und für die abgegebenen Ströme Iw und /n Grenzwerte bestehen. Die in der ersten Einstellung der Potentiometer 21 und

22 durchgezogen bzw. gestrichelt dargestellten Ciun ukteristiken zeigen eine niedi igerliegende Sättigungsgrenze als die nach Verstellen der Potentiometer 21 und 22 erhaltenen strichpunktierten bzw. punktierten C'harakteristiken: die Einstellung der Sättigungsgrenze ist mit innerhalb der Verstarker 11 und 12 vorgesehenen Einslcllgliedern separat bewirkt worden.

In F i g. 2 sind die statischen Charakteristiken der Verstärker angegeben. In vielen Fällen ist es wünschenswert, ein bestimmtes dynamisches Verhalten der Verstärker zu erzielen. Dies kann durch Kopplungszweige 24 und 25 herbeigeführt werden, die im Ausführungsbeispiel den jeweils benutzten Eingang eines der Verstärker mit dessen Ausgang verbinden. Die Kopplungszweige können als Mit- oder als Gegenkopplung wirken; es ist auch möglich, die Kopplungszweige sowohl zur Mitkopplung als zur Gegenkopplung auszunutzen: beispielsweise können für sich nur geringfügig ändernde Regelspannungen, deren df//df gering ist, eine Gegenkopplung erzielt werden, während bei großem dU/dte\nc Mitkopplung erzielt wird.

Die erfindungsgemäße Regelanordnung zeigt gegenüber den bekannten eine Reihe wesentlicher Vorteile. Die hydraulischen, zur Steuerung benötigten Bauteile beschränken sich auf zwei handelsübliche und einfache Magnetventile. Der eigentliche Regelvorgang wird elektronisch bewirkt und gestattet die gewünschten Eingriffe. Durch Anordnung zweier invers betriebener Analog-Verstärker ist es möglich, die Kennlinien der beiden Verstärker beliebig zu beeinflussen. So können beispielsweise durch Einstellung der Sättigungsstrome Maximalgeschwindigkeit der Positionierung vorgegeben werden. Die Verschiebung des unteren Kennlinienknickcs erlaub", wie bereits ausgeführt, den Toleranzbereich einzustellen. Die Verstärkungsfaktoren der beiden Verstärker können zur Anpassung an vorgegebene Betriebsbedingungen gemeinsam oder unabhängig voneinander eingestellt werden. So ist es beispielsweise möglich, durch Einwirkung auf die voneinander getrennten Verstärkungszweige eine Kompensation der in Verschiebungsrichtung wirkenden Gewichtskomponente des zu positionierenden Objekts vorzunehmen, es kann für die unterschiedlichen Bewegungsrichtungen vorgegebenen unterschiedlichen Vorschubbedingungen Genüge geleistet werden. Darüber hinaus kann das dynamische Verhalten der Regdanordnung mit einfachen elektrischen Schaltmitteln beeinflußt werden.

Als vorteilhaft hat es sich weiterhin gezeigt, daß die Anordnung von einer einfachen Gleichstromquelle aus gespeist werden kann. So genügt im Falle mobiler Anlagen in vielen Fällen das Bordnetz, ohne daß Mittelanzapfungen bzw. Mittelabgriffe der speisenden Spannung erforderlich werden. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Speisung der in der Regelanordnung eingeschlossenen Brücke durch Gleichspannung beschränkt: hier können im Bedarfsfall einem Wechselstromnetz oder einem Wechselstromgenerator entnommene Spannungen einer gewünschten Frequenz benutzt werden. Durch Einsatz eines einfachen elektronischen Leistungsverstärker als Aiialog-Verstärker ist die Verwendung robuster, billiger Magnetventile ermöglicht, auch wenn diese einen hohen Bedarf an Erregungsleistung aufweisen. Durch den Einsatz eines elektronischen Integrators oder Führungsgrößenrechners lassen sich nicht nur eine gewünschte bzw. naximale Beschleunigung des Stellgliedes bzw. des Positionicrungsvorgangcs, sondern gegebenenfalls auch deren zeitlicher Vorlauf vorgeben. Die Kopplungszweige gestatten nach Belieben den Aufbau einer Plodei' einer PID-Rückführregekmg, so daß bei großen Abweichungen des Istwertes vom Sollwert eine auf gewünschte Worte begren/H¹ schnelle Rückführung erfolgt, der vorgegebene Positionswert aber weich und ruckfrei angefahren wird.

Hierzu 1 iii. Zeichnungen

Claims

18 OO Patentansprüche:

1. Regelanordnung zur hydraulischen Positionierung mit zwei in einer Brückenschaltung betriebenen Potentiometern, deren eines in Abhängigkeit von der Lage des zu positionierenden Objekts verstellt wird, während mittels des anderen der Sollwert bzw. eine FührungsgröOe vorgegeben wird, und bei der in Abhängigkeit von der an der Brücke abgegriffenen '° EMK über invers wirksame Verstärker zwei hydraulische Magnetventile betätigt werden, welche als Stellglied vorgesehenen Hydraulikzylindern und/oder -motoren vorgeordne. sind, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei invers wirksa- <5 men elektronischen Verstärker als Analogverstärker (11, 12) ausgeführt sind, deren Arbeitspunkt im unteren Kennlinicnknick liegt, derart, daß eine positive Brückenspannung über einen der Verstärker das Öffnen eines der beiden Ventile bewirkt, eine negative Brückenspannung über den anderen Verstärker das Öffnen des anderen Ventils bewirkt, und bei abgeglichener Brücke beide Ventile gesperrt sind.

2. Regelanordnung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß den Eingängen (9, 10) der Analogverstärker (11, 12) diese vorspannende Einstellglieder (Potentiometer 2t, 22) zugeordnet sind.

3. Regelanordnung nach Ansprüchen I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Aussteuerung der Analogverstärker (11, 12) deren linearen Wertungsbereich überschreitet.

4. Regelanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Säitigungsgrenze der Analogverstärker (11,12) einstellbar ist.

5. Regelanordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Analogverstärker (U, 12) je einen vorzugsweise auf die Flankensteilheit von Spannungsänderungen ansprechenden Kopplungszweig (24,25) aufweisen.